基于多GNSS 融合的远程时频源驯服控制方法研究

迟文波,寇琼月

(92228部队,北京 100072)

0 引言

GNSS 驯服频率源技术是一种低成本、高性能频率信号产生技术,在时频计量、通信、电力等方面具有广泛的应用。当前,GNSS 驯服频率源主要采用GPS 单向授时方式,通过利用GPS 接收模块输出秒脉冲(PPS,Pulse Per Second)信号作为锁定参考源,得到准确的频率信号,即GPS 驯服振荡器(GPSDO,GPS Disciplined Oscillator),其频率准确度和频率稳定度均可达到10-12量级,接收模块输出秒脉冲信号的抖动相对于协调世界时(UTC,Universal Time Coordinated)可达20ns[1]。为了提升驯服频率源的性能,可利用GPS 接收模块输出的秒脉冲信号与原子钟输出信号进行比对,对比对参数进行建模和最小二乘拟合,精细估计原子钟的参数,进而对其实施驯服控制。GNSS 单向授时频率源驯服设备相对简单,但也存在一些不足:

1)受各类误差影响较大,频率准确度等性能指标不高;

2)时频信号溯源到采用的GNSS 系统,不能实现向期望的参考基准溯源;

3)设备时间获取依赖于单向授时,时间同步精度不高[2]。

1 GNSS 远程驯服时频源原理

全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)共视时频传递方法,是应用地面两个观测站在同一时间,利用各自的GNSS 时频传递设备共视同一GNSS 卫星,通过交换两观测站解析的GNSS 时间信息,计算时间偏差,完成本地时间频率源的修正[3]。GNSS 远程驯服时频源原理如图1所示。

图1 GNSS 远程驯服时频源原理图Fig.1 Schematic diagram of GNSS remote domestication time-frequency source

在两地实验室的时频传递设备(TR1和TR2)接入频率源(REF1和REF2),两地时频传递设备在同一时刻同时观测同一颗GNSS 系统星座,计算外部参考与GNSST(GNSS 内部时钟通过地面主控站与协调世界时(UTC)同步值)的差值ΔT1 和ΔT2,如式(1)和式(2)所示,GNSST 为时间基准的时间差如式(3)所示

以GNSST 为时间基准的时间差即为远程参考时间频率标准源和本地频率标准源的钟差值。

2 卫星观测仰角融合

受折射影响,GNSS 信号在大气中传播时,会引起传播路径变化,产生延迟误差,大气折射误差与卫星仰角大小有直接关系,卫星仰角越小,大气折射引入的误差就越大[4]。GNSS 信号传输到达地面后,一部分直接被接收机接收,还有一部分经过地球表面房屋、河流等介质发射后被接收机接收,不同路径的信号叠加后,导致接收机接收的信号变形,这就是多径效应。这种效应的产生与卫星仰角有关,仰角高时,GNSS 信号直接传递到接收机的信号会明显增多,相反,信号更可能受高山、楼宇等物体阻挡,会产生更多多径效应[5]。为此,提出一种基于卫星观测仰角的融合及验证方案,降低多径效应带来的误差。

2.1 卫星观测仰角融合方案设计

结合时差与仰角的对应关系,通过分析卫星不同仰角的离散度,确定卫星权重值的大小,权重值小的卫星其离散程度大,其产生的数据噪声就大,反之,离散程度小的卫星权重大[6]。实施方案如下:

1)分析同一仰角i下不同卫星时差数据,统计其标准差σi(由两台参考时钟相同的接收机长时间共视比对);

2)选取两台接收机同一时所有卫星仰角值i,计算其标准偏差σi,将时刻内的标准偏差倒数求和∑1/σi,该时间段卫星仰角为i的权重w为(1/σi)/(∑1/σi),将不同权重分析融合,获取接收机在该时间点的时差。也可以用方差表征离散程度。

2.2 卫星观测仰角融合方案验证

选择两台接收机IM1 及IM2,时间参考源为同一UTC,分析由两台接收机北斗共视比对数据产生的结果,统计分析仰角对应的标准偏差。根据北斗仰角融合方案对比对数据进行融合,融合后的结果如图2 所示。“等权融合”(蓝色曲线)代表等权平均算法计算的数据时差值,计算结果为12 ns,标准差为1.01 ns;“标准差融合”(红色曲线)代表由数据标准差确定卫星权重值,结果为6 ns,标准差为0.95 ns;“方差融合”(黄色曲线)代表由数据方差确定卫星权重值,标准差为0.98 ns。平均时间不同时时间偏差统计情况[7]如表1 所示。

表1 不同仰角融合方案TDEV 统计表Tab.1 TDEV statistics of different elevation fusion schemes单位:s

图2 卫星仰角融合时差曲线图Fig.2 Curves of satellite elevation fusion time difference

从卫星仰角融合时差曲线图以及不同仰角融合方案TDEV 统计表能够分析出,标准差融合和方差融合相比于等权融合,数据噪声有减小,稳定度也有提高。

3 多GNSS 系统融合方法

3.1 融合驯服控制算法

融合驯服控制的数据基于GNSS 共视测量数据Rfile 文件,文件符合国际标准CGGTTS 格式,其数据如图3 所示。一个Rfile 的生成周期为16 min,其中包含2 min 跟踪时间,13 min 采样时间以及1 min等待时间。就北斗及GPS 系统而言,其B1I、L3B 和L1C、L3P 频点分别对应了CM、CZ、GM、GZ 四类Rfile[7]。链路对应接入的时间频率源及GNSS 系统时间GNSST 之间的钟差信息将以REFSYS 类型数据存储,单位为0.1 ns,它具体表示对采样时间中点时间点对应钟差的拟合。分别从远端时间传递链路控制计算机文件夹和FTP 服务器提取同一时刻,同一类型的Rfile,待驯服时间频率源及参考时间频率源的卫星共视钟差如式(4)所示

图3 Rfile 实时数据文件图Fig.3 Picture of Rfile real-time date file

式中:REFSYSi(A)——远端时间频率源与第i颗共视卫星时差;REFSYSi(B)——参考时间频率源与第i颗共视卫星时差;N——该时刻共视卫星数量。

在利用CM、CZ、GM、GZ 四类Rfile 得到第i个周期的共视时差后,记录N颗卫星钟差标准差,综合式(5)和式(6)计算融合权值,由式(7)可得第i个Rfile 生成周期对应融合时差Δi。

将式Δti代入式(7),即可预测推算调整时刻待驯服时间频率源及参考时间频率源钟差,作为铷原子振荡器相位粗调依据。其中,PRS-10 型振荡器的相频调整表现为串口指令,通过运行在Linux系统控制计算机上的Python 代码配合RS-232 串口通信实现实时控制[8]。

驯服控制软件运行流程如图4 所示。

图4 驯服控制程序运行流程图Fig.4 Flow chart of taming control program run

一个完整的驯服流程包含三步:初始轮将仅获取远端及参考端融合时差值,不做任何相频控制调整;第二轮完成时差获取后,将利用上一轮历史数据对调整时刻时差进行预测,从中计算相位调整量,通过串口指令实现相位粗调。以上两轮流程被称作初始化过程,该过程可使远端铷原子振荡器相位快速靠近参考端,后进入频率调整过程。调整轮除了完成融合时差的获取及调整时刻时差预测外,会根据上一轮历史预测数据推算调整时刻两时间频率源频差,通过串口指令实现频率细调。此外,为了保证铷原子振荡器长期稳定运行,驯服控制程序会根据计算频差情况适当延长调整周期。

3.2 多GNSS 系统融合验证

在此选用标准差以最终刻画融合性能,融合结果如图5 所示。其中蓝色叉号符代表遍历权值组合融合结果,深蓝色圆点表示标准差融合结果,红色圆点表示960 s TDEV 融合结果。可以看出,经过标准差及960 s TDEV 赋权融合的时差标准差水平几乎位于图像最低点,相较于单GPS 系统共钟差(CCD,Common Clock Difference) 结果提升了约19.8%,相较北斗/GPS 双系统等权平均融合提升了约3.4%。这证明了利用标准差进行多GNSS 系统数据融合的可行性。

图5 双GNSS 系统融合结果图Fig.5 Fusion result of two GNSS systems

在此基础上,基于MJD 59772-59785 的14 天观测数据,加入北斗L3B 及GPS L1C 频点展开标准差融合试验,其结果如图6 所示。其中蓝色圆圈,橙色方块,黄色菱形及紫色星形分别表示GPS L1C、GPS L3P、BDS B1I 及BDS L3B 四种单频CCD结果,绿色上三角表示基于上述四频点的标准差融合时差结果。可以观察到融合结果稳定度的明显改善,这证明了利用标准差进行多频点数据融合的可行性。

图6 四GNSS 频点融合结果图Fig.6 Results of four GNSS frequency fusion

选定传递时差数据的融合方案后,还需研究自由振荡时间频率源的驯服控制方法。选用的驯服原理如下:通过实时获取的融合时差计算频差,通过一次线性拟合预测待驯服时频源在调整时刻。同时需要考虑测量时间间隔、比对链路中网络时延等因素[9]。实时时差调整值可由式(8)估计

式中:ΔTi——在第i个调整时刻时差预测值;Δti——GNSS 时间传递比对融合时差结果;Δti-1——第i-1个调整周期的GNSS 传递比对融合时差结果;ttr——采样时间;td——网络时延估计。

导出ΔTi后,便可对待驯服时间频率源进行相位粗调,同时计算频差,实现实时频率细调及驯服控制。对应频率调整值Δf可由式(9)计算

式中:fclk——待驯服时间频率源运行频率;fref——参考端时间频率源标准频率。

4 结束语

针对目前基于北斗/GPS 共视技术的时频源驯服方法存在的稳定度不高、噪声大等缺点,利用实时时差标准差赋权实现多GNSS 系统、多频点数据融合,利用预测及调整算法,实现远端待同步时间频率源驯服控制,同时结合卫星仰角与时差关系,提出卫星观测仰角融合及验证方案,降低多径效应带来的误差,实现远端时间精准同步,以复现参考端时间频率标准。